弱电刺激可促进间甲酚的生物降解：揭示其作用机制、微生物相互作用及生物毒性评估

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Weak electrostimulation enhances biodegradation of meta-cresol: Unravelling functional mechanisms, microbial interaction and biotoxicity assessment

m-甲酚废水处理中，弱电刺激增强的厌氧系统（ED）较传统生物法（AD）缩短降解时间40%（72h vs 120h），TOC去除效率达89.32%。机制研究表明电刺激促进电活性菌（+39.01%）和降解菌（+20.22%）增殖，协同demethylation等四条代谢通路实现矿物化，同时降低中间产物毒性。该系统突破传统工艺局限，为高毒酚废水提供低风险解决方案。

　　

曹梦楠|魏雅莉|司鹏飞|郭伟杰|高艳娟|刘志红|梁斌|岳秀萍|周爱娟

太原理工大学土木工程学院，中国太原 030024

摘要

废水中的酚类污染物对生态系统和人类健康构成严重威胁。本研究构建了一种基于弱电刺激的厌氧降解（ED）系统，用于处理含有间甲酚（m-creol）的废水。该系统在72小时内实现了高效的m-creol去除，总有机碳（TOC）去除效率达到89.32±3.38%。相比之下，不使用电刺激的对照组需要120小时才能达到类似的去除效果。通过分析降解途径、毒性降低、功能性酶活性以及微生物群落相互作用，阐明了其增强的机制。结果表明，弱电刺激显著富集了电活性细菌（39.01%）和潜在的降解细菌（20.22%），同时上调了参与酚类化合物代谢的相关功能基因。这些功能性微生物群落通过脱甲基化、脱羟基化、酯化和环开氧化途径协同驱动m-creol的生物降解，最终实现矿化并表现出优异的解毒性能。本研究证明，基于弱电刺激的厌氧生物降解系统能够克服传统生物处理的局限性，为设计高效且低风险的策略以处理高毒性酚类废水提供了新的见解。

引言

社会经济发展和生活水平的提高导致了多种复杂且有害污染物的出现。其中，酚类化合物是水污染的主要来源[1]。甲酚这类有毒有机化合物常见于工业废水中，是农药、杀菌剂、抗氧化剂和其他化学产品的关键成分[2]。作为代表性的酚类污染物，间甲酚（m-creol）主要来自石化工业，会对人类和其他生物的胰腺、肾脏和肝脏造成严重污染[3]。废水中的m-creol浓度因行业和工艺不同而有很大差异，通常在0.02至1700 mg/L之间[4]。由于其高毒性和难以降解的特性，高效去除m-creol对生态环境保护具有重要意义[5]。

目前，物理方法、高级氧化工艺（AOPs）和生物方法被用于降解酚类污染物。然而，吸附、超滤和混凝等物理处理方法仅涉及相变，不能将污染物转化为无害物质[6]。光催化氧化、电化学间接氧化和臭氧氧化因其强大的氧化能力而被广泛用于降解难降解有机化合物[7]。尽管这些氧化技术对m-creol的降解有效，但在成本、效率、副产物生成和操作复杂性方面仍存在局限性。生物降解作为一种经济高效、环保的替代方法，可通过生物强化策略进一步提升[8],[9]。传统生物降解过程需要较长时间才能达到预期效果，而废水中不稳定的pH值和重金属、阴离子等复杂污染物也会抑制微生物活性[10]。因此，迫切需要开发新型高效的生物技术来去除m-creol。

Hedbavna等人通过生物电化学系统证明了酚类化合物及其代谢物在受污染地下水中的生物降解[11]。刘等人和周等人分别使用聚苯胺和石墨烯修饰的阴极在厌氧流化床微生物燃料电池中实现了91.76%和95.29%的m-creol去除率，并研究了降解机制[12],[13]。此外，大量研究探讨了弱电刺激在修复抗生素、4-羟基苯甲酸和偶氮染料等污染物中的应用[14],[15],[16]，因为弱电刺激能够增强微生物代谢活性并促进污染物生物降解[17]。然而，关于弱电刺激下m-creol的厌氧生物降解机制的研究尚不多见。以往关于生物电化学系统中m-creol降解的研究主要集中在降解途径和优势微生物类群的变化上，其背后的功能机制、微生物协同作用以及产物的生物毒性仍有待进一步研究。

本研究比较了基于弱电刺激的厌氧降解（ED）系统和传统厌氧降解（AD）系统的m-creol降解性能。通过全面的实验分析和密度泛函理论（DFT）计算，阐明了m-creol的潜在降解途径，并利用定量结构-活性关系（QSAR）模型预测了关键中间体的生物毒性。此外，还揭示了弱电刺激厌氧处理过程中微生物群落及其相关功能基因的变化，从而探讨了m-creol生物降解的功能机制。这种多维方法扩展了对出水毒性去除、关键功能酶活性和微生物共生作用的分析，从而更全面、更深入地理解了弱电刺激如何增强m-creol的生物降解。这项工作有望为开发高效、低风险的酚类废水处理策略提供参考。

实验部分

生物反应器的构建与启动

所有实验组均重复三次，每个实验使用三个独立的反应器。指标检测也重复三次进行。报告的数据为平均值±标准偏差。两种系统均采用单室厌氧反应器，反应器由500 mL有机玻璃瓶制成。反应器包括反应室、外部电路、碳刷阳极（6 × 5 cm）和碳布阴极（6 × 5 cm），电极间距为5 cm，具体配置如下：

m-creol的生物降解特性

如图1a所示，降解效率稳定后，ED系统在3小时内有效去除了m-creol，而AD系统则需要5小时，表明弱电刺激显著增强了m-creol的厌氧生物降解效果。其降解效率高于以往生物电化学系统研究中的报道值（95.29%）[12]。降解动力学分析（表S2）显示两种系统均表现出一级反应行为

结论

本研究构建了一种基于弱电刺激的厌氧降解系统，以研究m-creol的降解性能、解毒效果和降解机制。在弱电刺激下，m-creol在72小时内几乎完全去除，总有机碳去除效率为89.32±3.38%。与传统生物方法和高级氧化工艺相比，该系统具有更强的微生物耐受性和活性，从而表现出更优异的性能[7],[12]

作者贡献声明

刘志红：资源获取、资金筹集、数据管理。梁斌：撰写 – 审稿与编辑、资源协调。郭伟杰：实验研究、数据管理。高艳娟：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。岳秀萍：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、资金筹集。周爱娟：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、资金筹集。魏雅莉：撰写 – 审稿与编辑、指导、数据分析。司鹏飞：结果验证、资源协调、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52470156、52270134和52070139）、山西省科技合作项目（项目编号202204041101012和202404041101036）以及中央政府指导的地方科技发展专项基金（项目编号YDZJSX2022A008）的支持。